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1、 一、控制系统设计的一般思路 二、控制系统的设计与实施案例 第1课时 引入: 要设计一种自动开关的节能灯控制系统, 如何展开我们的设计思路?需要从哪些方面着 手考虑问题呢? 被控对象是什么? 控制的目的是什么? 这种灯用在什么地方?环境怎样? 这样的灯应如何工作?被控量和控制量分别是什 么? 有什么其他因素会干扰灯的正常工作? 依据你的判断,能提出一种设计方案吗? 1.控制系统设计的一般思路: 控制系统设计 明确控制的目的 确定被控量、控制量 分析被控对象 的主要特性 控制系统的调试 运行和评价 分析主要的干扰因素 控制系统方案的选择 系统的成本分析 实施控制系统所需 的设备、元件等 案例:电
2、吹风风速控制 (1)被控对象是什么? (2)控制目的是什么? (3)被控量是什么?控制量是什么? (4)需要哪些零部件组成控制系统? (5)有哪些干扰因素会影响到控制系统的工作? 影响的程度有多大? (6)你认为,控制系统各部件的设计还与什么有 关? 开环控制系统的设计 明确设计要求。 明确被控对象、被控量和控制量。 考虑控制系统的方案。 设计要求:电吹风能根据不同的挡位(如冷风 挡、热风挡)输出不同种类的风。 设计分析:电吹风控制系统的被控对象是电吹 风装置,被控量是风的速度和温度,控制量是 电机电压,干扰因素是房间温度、电源电压的 波动等。 电吹风分控制工作过程:电吹风是要将其内部 电热丝
3、的热量通过一个小电风扇扩散出去。 方案构思: 选择开环控制系统实现电吹风的控制要求。 设定风的挡位就设定了电机的电压和电热丝的阻 值,接通电源后,电机带动一个小风扇转动,产 生的风通过电吹风的电热丝,输出的就是与设定 的风种相对应的风。电机、风扇、电热丝设定电 吹风的挡位(输入)风的速度和温度(输出)。 电电机、风风扇、电电 热丝热丝 设设定电电吹风风的挡挡 位 (输入 ) 风风的速度和温度 (输出 ) 试验过程: 1.画出电吹风的电路设计图; 2.选择挡位打开开关演示电吹风的工作过程; 3.知识延伸:如果设定了热风挡之后又需要分强 风挡和弱风挡如何进行设计。 案例:抽水马桶 观察模型的演示,
4、阅读教材,陈述其工作过程。 提出下列问题: (1)被控对象是什么? (2)控制目的是什么? (3)被控量是什么?控制量是什么? (4)为什么采用闭环控制方式? (5)被控量与控制量之间是如何实现反馈的? (6)如果要节约用水,减少水箱每次冲水量,你 能设计哪几种方案? 闭环控制系统: 一个闭环控制系统要正常工作,首先必须是 稳定的。 控制系统的控制精度必须符合要求,即系统 的输出量与给定量之差应控制在允许的范围之 内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 案例分析:抽水马桶水箱的自动控制系统的设计 设计项目:抽水马桶水箱的自动控制系统 设计要求: 1.当水箱中的水位低与某一指定的高度时,进水
5、口立即进水。 2.当水箱中的水位高与某一指定的高度时,进水 口立即停止进水。 3.控制系统对控制精度和系统的稳定性均没有特 别的要求。 设计分析: 1.从设计要求来看,这是一种自动控制,因此选择闭环控 制系统。 2.被控对象是抽水马桶的水箱,被控量是抽水马桶水箱水 位的高度,控制量是进水管的水流量(即进水量),水箱 水位的高度与进水量之间呈曲线关系。 3.主要干扰因素水水箱的流水量。采用浮球作为水位高度 的检测装置。当水箱中的水位低与某一指定的高度时,出 现了水位差(给定的水位高度与实际高度之差),这个信 号通过浮球、连杆机构传给进水阀,使进水阀打开,从而 水箱进水;当水箱中的水位高与某一指定
6、的高度时,水位 差为零,进水阀关闭。 水箱水位的控制过程: 拨动冲水旋扭,使出水阀打开,水箱冲 水。与此同时,进水阀打开,水箱进水,直到 指定水位时,进水阀关闭。 给定水位 杠杆比较 进水阀门水箱 水位 浮球 + - 控制过程方框图: 小结: 一、控制系统设计的一般思路 系统要达到的目标? 控制的对象? 被控对象的特性? 被控量和控制量? 外界的主要干扰因素? 怎样的方案既达到目的、又经济、易于实现? 设备和元件? 1.选择开环还是闭环要根据控制系统的精度要求 和条件的可行性而定 2.找出控制系统的干扰因素,并分清主次,找出 最大的干扰因素 3.要确定控制量和被控量 4.执行器和检测装置的选择
7、: 一是要根据控制量和 被控量的需求,二是根据控制条件 控制系统设计需满足的基本条件: 能达到控制的目的 采用易于实现的方式 降低控制成本 减少对环境的负面影响 教学资料: 1.控制的函义 人们按照自己的意愿或目的,通过一定的 手段,使事物向期望的目标发展。 2.控制的分类 (1)从控制过程中人工干预的情形来分:人 工控制、自动控制; (2)按照执行部件的不同来分:机械控制、 气动控制、液压控制、电子控制等。 3.控制系统 (1)控制系统的函义:任何一个控制的实现, 都要通过若干个环节,这些环节就构成了一 个系统。 (2)控制系统的分类:由于控制的方式不同, 自动控制又有:开环控制系统和闭环控
8、制系 统之分。 4.开环控制系统 (1)开环控制系统函义:控制系统的输出量不对 系统的控制产生任何影响,这种控制系统称为开 环控制系统。 (2)控制系统方框图:在控制系统中,为了分析 的方便,常采用方框来表示系统的环节,用单向 信号线表示系统信号传递的方向,它表示了系统 的各个环节在系统中的位置、功能和相互之间的 关系。 (3)开环控制系统的方框图:控制器执行器被控 对象控制量输入量输出量。 控制器执执行器被控对对 象 控制量 输输入量 输输出量 5.闭环控制系统 (1)闭环控制系统函义:我们把系统的输 出量返回到输入端并对控制过程产生影响的 控制系统称为闭环控制系统。 (2)闭环控制系统方框
9、图:控制器、执行 器、被控对象、控制量、输入量、输出量、 检测装置、。 控制器执执行器被控对对象 控制量 输输入量 输输出量 检测检测 装置 6.干扰因素 在控制系统中,除输入量(给定值)以 外,引起被控量变化的各种因素称为干 扰因素。 7.反馈的涵义 控制系统中,将输出量通过适当的检测装 置返回输入端与输入量进行比较的过程。 8、开环控制系统与闭环控制系统的比较 开环控制系统:控制精度相对比较低, 结构简单,适用与控制精度要求不高而系 统本身元件又比较稳定的场合。 闭环控制系统:控制精度高,结构相对 复杂,构成控制系统的成本较高,适用与 要求高精度和高可靠性的场合。 9.不同闭环控制系统设计
10、的基本要求 一个闭环控制系统要正常工作,首先必 须是稳定的。 控制系统的控制精度必须符合要求,即 系统的输出量与给定量之差应控制在允许 的范围之内。 闭环控制系统应有较好的抗干扰性能。 第2课时 自动升旗简易控制装置的设计与实施 1.明确设计的要求,明确控制系统设计所要达到 的目标。 2.提出多个设计方案,进行分析、权衡、比较, 确定一个相对较好方案。 3.动手安装、调试升旗控制系统。 4.撰写试验报告、自我评价和小结。 设计要求: 1.在国歌播放的时间内,控制国旗匀速上升 到旗杆的顶端; 2.选择恰当的控制方案实现控制; 3.选用成本低、易于获取的元件、设备和材 料制作模型。 设计分析: 1
11、.采用开环控制系统,被控对象是国旗,被控 量是上升的速度,控制量是电动机的转动与停 止(或速度)。 2.这一开环控制系统由计时装置和控制升旗的 装置共同组成。 3.计时装置和控制升旗装置的实现可以有多种 方案,例如,采用机械定时器和电动机实现, 采用成品电子定时器和电动机实现,采用自制 电子定时器和带可调速电路的电动机实现,采 用音频信号、触发电路和电动机实现。 4.采用任何一种方案实现,都要经过若干次调 试,直到符合设计要求为止。 定时装置 电动机滑轮、国 旗 定时时间升旗速度 设计准备: 机械定时器(或电子定时器、自制电子定 时器、CD唱机),旗杆,滑轮,卷筒,变 速齿轮箱,电动机调速器,
12、直流电源。 设计方案A: 1.采用机械定时器、直流电动机、直流电源、滑轮 等元件实现。其中机械定时器相当于电动机的开 关。 2.测得国歌播放时间和旗杆长度,确定定时器的定 时时间并预估电动机的转速。根据时间、旗杆长 度和电动的转速,选择滑轮的直径。 3.将机械定时器、直流电源和电动机串联在一个回 路中。 4.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同 时启动机械定时器,电动机开始转动并带动滑 轮运动,使国旗上升。当定时器计时停止时, 断开电源使电动机停止转动,此时国旗应该正 好升至杆顶。如果升旗速度与国歌的播放时间 之间存在误差,则需要重新调整滑轮的直径, 直到符合要求。 设计方案A: 5.为使
13、系统在非正常状态下保证旗帜的升降,还需 要在电路中并联一个手动开关,当控制系统出现 故障时,使用手动开关直接控制电动机的转动与 停止。 机械定时器靠手动旋转实现定时,定时的精确度 略低,但只要细心操作可以满足要求的。 设计方案A: 方案B: 采用成品的电子定时器、直流电动机、直流电动 机、直流电源、滑轮等元件实现。 用电子定时器代替机械定时器,其他步骤参照方 案A。 电子定时器比机械定时器的定时精确度高,所以 对操作者的要求相对低一些。 方案C: 1.采用成品的电子定时器、带有可调速电路的电动机、直流电 源、滑轮等元件实现。 2.测得国歌播放时间和旗杆长度,确定定时器的定时时间并预 估电动机的
14、转速。根据时间、旗杆长度和电动的转速,选 择滑轮的直径。 3.将自制的电子定时器、直流电源和电动机串联在一个回路中 。其中,自制的电子定时器可根据学校实验室现有的元件 、设备和已知电路进行制作,如可用555时基电路制作定时 器,通过定时器控制的继电器来控制电动机的转动与停止 ;采用TWH8752开关电路制作电动机的可调速电路。 方案C: 4.在调速电路中并联一个手动按钮SW2,用于在出 现故障时能升降旗帜。 5.初始状态使国旗在旗杆底端。在国歌播放的同时 启动自制的电子定时器,电动机开始转动并带动 滑轮运动,使国旗上升。当定时器计时停止时, 断开电源使电动机停止转动,此时国旗应该正好 升至杆顶
15、。如果升旗速度与国歌的播放时间之间 存在误差,则需要重新调整滑轮的直径,直到符 合要求。(自动升旗简易控制装置电路图) 方案D: 1.采用CD 唱机(含有触发电路)、电动机、直流电 源、滑轮等元件实现。 2.测得国歌播放时间和旗杆长度,预估电动机的转 速。根据时间、旗杆长度和电动的转速,选择滑 轮的直径。 3.从CD唱机中引出音频信号,将CD唱机(含有触 发电路)、电动机、直流电源串联在电路中。 方案D: 4.初始状态使国旗在旗杆底端。当启动CD唱机播放国歌时, 音频信号触发电路带动电动机转动,使滑轮运动,国旗匀 速上升;当国歌播放结束、没有音频信号时,电动机停止 转动,此时国旗应该正好升至杆顶。如果升旗速度与国歌 的播放时间之间存在误差,则需要重新调整滑轮的直径, 直到符合要求。 5.在启停电动机的电路中并联一个手动按钮SW2,用于在出现 故障时能升降旗帜。 这一方案的特点是,不需要外加定时器,而用音频信号直 接控制电动机,减少了时间上的误差。 作业: 1.以前学校的大门是对开的,现在很多学校的门都 改为电动门,但是这种门操作过于呆板,大门在 关闭过程中有人通过时,容易夹伤行人,请同学 们就我们所学习技术与设计的知识分析电动门的 设计,并能够提出改进方案。